Capítulo 4. Características energéticas de la leña y ecuaciones de biomasa de las
4.3.2. Caracterización energética de las maderas
Todas las especies mostraron en promedio un 80% de contenido de humedad. El mayor contenido de humedad de la madera fue en L. hirsuta (94%) y el menor contenido de
Peso de tallo ajustado (gr)
Pes o d e tallo o b ser v ad o ( g r) Pes o d e tallo o b ser v ad o ( g r) Pes o d e tallo o b ser v ad o ( g r) P=1,0 - 1,4 DB + 0,4 DB2 + 0,02 H - 0,0001 A2 P=6,2 - 3,2 DB + 0,5 DB2 + 0,0005 A2 P=-2,8+ 0,5 DB2 - 0,001 A2 P=-4,8 + 0,3 DB2 + 0,0009 A2 P=20,1- 3,2 DB + 0,3 DB2 - 0,4 H + 0,004 A2
humedad fue en D. juncea (75%) (Cuadro 4.2). Las otras especies no difirieron estadísticamente de estas dos (Cuadro 4.2). Las densidades de madera más altas fueron las de N. antarctica, D. juncea y S. patagonicus (530,1-564,6 kg m-3), mientras que los valores más bajos correspondieron a E. coccineum y L. hirsuta (446,2 - 462,7 kg m-3). Las diferencias entre N. antarctica, D. juncea y S. patagonicus no fueron estadísticamente significativas (Cuadro 4.2); mientras que los valores observados en E. coccineum y L. hirsuta fueron, en promedio, aproximadamente un 18% más bajos (Cuadro 4.2). E. coccineum fue la especie con el contenido de cenizas más bajo (0,2%), mientras que el valor más alto fue en S. patagonicus (2,1%) y fue aproximadamente 10 veces mayor. Las otras especies no difirieron estadísticamente de estas dos (Cuadro 4.2).
En cuanto a los valores caloríficos, se detectaron diferencias entre todas las especies. La especie con el VCS más alto fue L. hirsuta con 19,6 MJ kg-1 (Cuadro 4.2).
Ese valor fue 13% más alto que el de D. juncea (Cuadro 4.2), la especie con el peor desempeño calorífico. Las diferencias observadas de VCS entre las especies fueron equivalentes a las diferencias de VCI (Cuadro 4.2), ya que esta última se obtiene de una transformación directa de la primera. La densidad energética observada en N. antarctica fue aproximadamente un 19% más alta que en E. coccineum, la especie con el valor más bajo. Las otras especies no difirieron estadísticamente de estas dos (Cuadro 2). Cuando se combinan, los parámetros anteriores dan como resultado el IVL. Según este índice, E. coccineum (IVL ≈ 6964, Cuadro 4.2) proporciona las mejores propiedades como combustible, principalmente debido a su bajo contenido de cenizas.
Cuadro 4.2. Estimaciones de los parámetros para las diferentes especies ± desviación estándar. Para todos los parámetros hubo un efecto significativo de las especies bajo la prueba F del ANOVA (α = 0,05). Las letras iguales no representan diferencias según la prueba de Tukey a posteriori (p ≤0,05). CC: contenido de cenizas; VCS: valor calorífico superior; VCI: valor calorífico inferior; DE: densidad energética; IVL: índice de valor de leña.
Parámetro energético
Especies
L. hisruta E. coccineum S. patagonicus N. antarctica D. juncea Humedad (%) 94,2 ± 5,8 a 90,5 ± 9,2 ab 87,4 ± 3,2 ab 81,2 ± 9,2 ab 75,4 ± 5,5 b Densidad (kg m- 3) 462,7 ±22,2 ab 446,2 ± 24,3 b 530,1 ± 12,5 ac 564,6 ± 34,1c 551,5 ± 35,7 c CC (%) 0,7 ± 0,4 ab 0,2 ± 0,2 b 2,1 ± 0,6 a 1,7 ± 0,3 ab 1,2 ± 0,9 ab VCS (MJ kg-1) 19,6 ± 0,1 a 18,8 ± 0,1 b 18,1 ± 0,1 c 17,7 ± 0,1 d 17,3 ± 0,1e VCI (MJ kg-1) 18,3 ± 0,1 a 17,6 ± 0,1 b 16,8 ± 0,1 c 16,6 ± 0,1 d 16,0 ± 0,1e DE (GJ m-3) 8,46 ± 0,4 ab 7,9 ± 0,4 b 8,93 ± 0,2 ab 9,35 ± 0,6 a 8,84 ± 0,6 ab IVL 1755,6 ± 1316,3 ab 6964,1 ± 4339,3 a 507,7 ± 105,5 b 692,6 ± 33,4 b 1341,7 ± 696,5 b
4.3.3. Estimaciones de stock de biomasa y bioenergía
Con las ecuaciones de biomasa desarrolladas se pudo estimar el stock de biomasa de tres matorrales contrastantes (Cuadro 4.3). Los stocks de bioenergía variaron entre 1,33 GJ ha-1 a 17,96 GJ ha-1 según las condiciones del sitio, la densidad de las plantas y la composición de las especies
Cuadro 4.3. Cálculo del stock de biomasa y bioenergía a partir de rebrotes de entre 3 y 4 años en tres matorrales contrastantes. Se obtuvo el stock de biomasa multiplicando el peso seco del tallo estimados (Figura 4.1) por el número promedio de tallos por planta y densidad de plantas (Cuadro 4.1). El stock de bioenergía se obtuvo multiplicando VCI por el stock de biomasa.
Sitio Especies Peso tallo (g st-1) Peso planta (g pl-1) VCI (MJ kg-1) Stock biomasa (Mg ha-1) Stock de bioenergia (GJ ha-1) N. antarctica 32,33 323,28 16,6 L. hirsuta 61,38 938,67 18,3 Alta S. patagonicus 44,03 782,93 16,8 1,07 17,96 D. juncea 65,77 1543,27 16,0 E. coccineum 32,45 360,53 17,6 N. antarctica 28,44 352,50 16,6 L. hirsuta 17,60 295,49 18,3 Media S. patagonicus 17,42 254,04 16,8 0,34 5,66 D. juncea 69,10 594,64 16,0 E. coccineum 22,76 318,63 17,6 Baja N. antarctica 5,53 37,63 16,6 0,08 1,33
* El sitio de alta y media calidad tuvieron la misma composición, pero diferente densidad de plantas.
4.4. Discusión
4.4.1. Ecuaciones de biomasa
Las ecuaciones desarrolladas comprenden a ecuaciones estándares tradicionales e individuales ya que incluyen diámetro y altura de tallo y fueron realizadas para estimar la biomasa individual (Lencinas et al. 2002). Además, no incluyen aspectos relacionados con la calidad de sitio. Existen varias ecuaciones desarrolladas para estimar volumen individual de N. antárctica en Patagonia sur (ej. Martinez-Pastur 1995, Ivanchich 2013) pero hay pocos modelos orientados a estimar el peso de rebrotes de diámetros pequeños (menores a 3 cm de DB).
Debido a que los patrones de asignación de biomasa difieren con la edad de los árboles (Gargaglione et al. 2010), las ecuaciones alométricas generadas a partir de árboles más grandes no son aplicables a los árboles cuyos diámetros o alturas están más allá del rango de ajuste de un modelo dado (Huber et al. 2016). Por lo tanto, estas ecuaciones de biomasa complementan la familia de ecuaciones locales desarrolladas previamente para la comunidad analizada en la misma cuenca forestal de Patagonia norte (Reque et al. 2007, Gyenge et al. 2009).
Dado que en este capítulo se desarrollaron ecuaciones para rebrotes juveniles, se utilizó el diámetro de la base del tallo (en lugar del diámetro a la altura del pecho, 1.30 metros sobre el suelo, DAP) como predictor. El DBH podría ser un mal indicador de la biomasa para árboles pequeños (Wirth et al. 2004), ya que podría ubicarse en la corona, incluso en pies bifurcados (Huber et al. 2016). Por ejemplo, en D. juncea, el diámetro basal (si es mayor de 3 cm) es un mejor predictor del peso del tallo que el DBH (Gyenge et al. 2009).
De acuerdo con estudios anteriores, este capítulo muestra que incluir la altura en las estimaciones de biomasa es importante para lograr estimaciones más precisas (Joosten et al. 2004, Gargaglione et al. 2010, Cienciala et al. 2015). Si bien esto implica un trabajo de campo adicional, la incorporación de esta variable mejora la estimación de la biomasa, lo que podría tener implicaciones en el manejo. Por ejemplo, las mediciones confiables del stock de biomasa permitirían diseñar ciclos de cosecha sin comprometer o subutilizar el recurso.
Debido a que la combustión eficiente requiere un contenido de humedad inferior al 30% (BUN-CA 2002), estos los resultados de este capítulo sugieren que las maderas de las especies analizadas deberían perder aproximadamente el 50% de humedad antes de ser utilizadas como combustible. Se sabe que el poder calorífico disminuye linealmente con el contenido de humedad (FAO 2017); por lo tanto, si el tiempo de secado de la leña no es suficiente, la madera se quemaría de manera ineficiente y se necesitaría más combustible para lograr la energía requerida. Si bien es relevante para las aplicaciones de bioenergía, la dinámica temporal de la humedad del leño vinculada al tiempo de secado no se ha estudiado en la Patagonia norte.
Los resultados sugieren que las especies de matorrales patagónicos tienen mayor densidad de madera que la de Populus sp. (Kauter et al. 2003) o P. ponderosa (Andreassi et al. 2017), cuyos residuos de raleo se utilizan como leña en la región (Andreassi et al. 2017). En particular, N. antarctica fue la especie con la densidad más alta (Cuadro 2), aunque el valor estimado (Cuadro 4.2) fue menor que el reportado anteriormente (Solórzano-Naranjo 2017). Sin embargo, ambos valores pueden no ser directamente comparables, ya que la densidad de la madera varía con la edad (Senelwa y Sims 1999), y el estudio anterior mencionado muestreaba individuos tipo arborescentes que crecen en bosques altos (Solórzano-Naranjo 2017). La densidad de las maderas de las especies restantes analizadas en este estudio, estuvieron dentro del rango informado para otras especies nativas de la región (Carmona-Cerda y Alvaro-Urzúa 2013). La alta densidad de troncos implica que el carbón permanecerá encendido durante mucho tiempo, aumentando el tiempo de calentamiento (Abbot y Lowore 1999).
El contenido de cenizas fue el parámetro con la mayor variabilidad entre las especies. No obstante, el contenido de cenizas de todas las especies analizadas fue inferior al 2% (Cuadro 2), excepto para S. patagonicus. En N. antarctica (1,7%) y L. hirsuta
(0,7%) el contenido de cenizas fue mayor que los valores reportados en la bibliografía (1,3% y 0,5%, respectivamente) (Carmona-Cerda y Alvaro-Urzúa 2013, Solórzano- Naranjo 2017). Sin embargo, a diferencia de tales estudios, los análisis de este capítulo incluyeron la corteza, que aumenta el contenido de cenizas (Ragland et al. 1991) y que generalmente es un componente de la leña y chips.
El VCS estimado en este capítulo se encuentra dentro del rango informado para las especies arbóreas nativas de los bosques patagónicos (por ejemplo, N. pumilio, Austrocedrus chilensis, N. domeyi) (Solórzano-Naranjo 2017), y duplicó la de algunos arbustos nativos de la estepa patagónica que se usan comúnmente como combustibles (ej. Berberis microphylla, Prosopis denudans y Schinus johnstonii) (Cardoso et al. 2015). De las especies analizadas, solo se encontró el VCI de N. antarctica en la literatura (Solórzano-Naranjo 2017) y fue similar al obtenido en este capítulo. De acuerdo con estos resultados, las especies leñosas de los matorrales del norte de la Patagonia tienen valores caloríficos similares a los de las principales especies de árboles plantadas para bioenergía en regiones mediterráneas, como Salix spp. y Populus spp. (Senelwa y Sims 1999, Klasnja et al. 2010).
El mayor valor de densidad energética de N. antárctica es interesante, ya que N. antarctica es la especie más dominante en estos matorrales, y está presente en formaciones mixtas y matorrales puros en la Patagonia norte (Reque et al. 2007, Capítulo 1). La densidad energética es un parámetro importante, porque expresa la cantidad de energía por unidad de volumen; Es decir, combina el valor calorífico con la densidad de la madera. La alta densidad de energía observada en las especies nativas de matorrales se debe principalmente a la alta densidad de su madera. Estas especies tienen una densidad alta en comparación con las utilizadas en silvicultura de rotación corta (en inglés: short rotation coppice), por ejemplo, entre 320 y 400 kg m-3 para clones de Salix spp. de
distintas edades (Klasnja et al. 2010), lo que se sugiere que las especies de matorral que son económicamente eficientes; ya que la cantidad de energía transportada aumenta (es decir, se reducen los costos unitarios) con la densidad de la madera (Demirba 1997). Dado que el volumen es comúnmente la unidad de referencia en el mercado de la leña de la región, la información generada en este capítulo puede ser útil para definir precios diferenciales de la leña.
El IVL es particularmente relevante para el uso industrial, ya que la acumulación de cenizas conlleva la formación de escoria y corrosión, que afectan el proceso de conversión térmica a gran escala (Ngangyo-Heya et al. 2019). Además, es problemático para el uso doméstico porque aumenta los costos de mantenimiento de calderas y estufas (Ngangyo-Heya et al. 2016). El IVL de L. hirsuta no difirió significativamente del de E. coccineum (Cuadro 4.2); pero a diferencia de este último, el valor relativamente alto obedeció al efecto combinado de todas las propiedades energéticas de la madera (Cuadro 4.2). El IVL encontrado en todas las especies analizadas fue mayor, o al menos tan alto como el observado en los arbustos nativos de la estepa patagónica comúnmente utilizados como combustible por pobladores de la estepa patagónica (Cardoso et al. 2015).
4.4.3. Estimaciones de stock de biomasa y bioenergía.
Los matorrales del norte de la Patagonia son ecosistemas diversos y usualmente forman estructuras complejas lo que dificulta las estimaciones de stock de biomasa. En el capítulo anterior se has discutido las diferencias entre la productividad de la biomasa en estos sitios contrastantes, pero en este capítulo se estimó el stock de biomasa (peso) a través de las ecuaciones de biomasa enfocadas en rebrotes jóvenes. Se encontró que, entre 3 y 4 años desde la intervención, el matorral más productivo produjo ≈ 1,07 Mg ha-1 de biomasa
de tallo seco, el sitio de media calidad produjo ≈ 0,34 Mg ha-1 de biomasa de tallo seco y el sitio de baja calidad produjo ≈ 0,08 Mg ha-1 de biomasa de tallo seco. En estas estimaciones hay diferentes fuentes de variación: número de tallos por tocón, dimensiones de tallos, número de plantas que rebrotan (es decir, densidad de plantas) y composición, pero con las ecuaciones de biomasa desarrolladas en este capítulo, las estimaciones de stock de biomasa son factibles.
El stock de bioenergía se calculó solo a partir de rebrotes jóvenes, por lo que los valores en la Cuadro 4.3 son una sobrestimación, ya que los valores caloríficos pueden aumentar con la edad y determiné el VCI a partir de árboles más viejos de la faja remanente (Eimil-Fraga et al. 2019). Además, el valor calorífico está influenciado principalmente por el contenido de humedad (Aniszewska y Gendek 2014) y se calculó el VCI en base seca, por lo que los valores de bioenergía en la Cuadro 4.3 representan una referencia para futuras investigaciones. En última instancia, el stock de bioenergía se debe determinar de acuerdo con el contenido de humedad del combustible en el momento en que se usa para quemar. Sin embargo, este es el primer intento de cuantificar la bioenergía contenida en rebrotes jóvenes del matorral de Patagonia norte.
4.5. Conclusiones particulares
En este capítulo se cuantificaron aspectos del potencial bioenergético de los matorrales mediterráneos del norte de la Patagonia, un tema relevante para los desafíos del cambio global y el desarrollo sostenible. La bioenergía está directamente relacionada con el uso del suelo, e históricamente, la ciencia forestal ha descuidado el manejo de los matorrales mediterráneos. Por lo tanto, la información proporcionada en este capítulo es importante a nivel local y relevante para la silvicultura Mediterránea en general.
Uno de los temas abordados se relacionó con la producción de biomasa y se evaluó mediante el desarrollo de ecuaciones de biomasa para pequeños rebrotes de cinco especies nativas de la Patagonia norte, que mostraron un buen desempeño. Esta información complementa la provista en estudios previos enfocados en las clases de diámetros mayores; y es una contribución importante para las estimaciones de stock de biomasa como se mostró en tres matorrales contrastantes (Cuadro 4.3). Además, es útil para diseñar esquemas de gestión basados en la comercialización de biomasa y las demandas energéticas regionales.
A través de la evaluación de la calidad de la energía de la madera, este capítulo da cuenta que las propiedades energéticas de las especies analizadas son comparables a las de otras especies leñosas comúnmente utilizadas como combustibles, tanto en la Patagonia norte como en todo el mundo. Los valores caloríficos más altos se encontraron en L. hirsuta y E. coccineum; este último muestra también un contenido de cenizas muy bajo, lo que favorece sus propiedades de combustible (índice de valor de leña). N. antarctica, la especie más utilizada como leña en la región, proporciona madera de alta densidad energética, debido a su alta densidad. Esto posiciona a la madera de N. antarctica como un combustible ventajoso, ya que reduciría los costos de transporte y almacenamiento de energía (algunos de los factores más importantes que influyen en la comercialización). Finalmente, la densidad energética fue relativamente alta en todas las especies analizadas, lo que demuestra su aptitud para su uso energético.
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Capítulo 5. Efectos de la intensidad de aprovechamiento sobre la biodiversidad y